У фізиці фундаментальні взаємодії — це основні типи сил, які визначають поведінку всіх частинок і тіл у Всесвіті. Усе різноманіття фізичних явищ зводиться до чотирьох фундаментальних взаємодій.

1. Гравітаційна взаємодія

Суть

  • Виникає між всіма тілами, що мають масу.
  • Притягує масивні об’єкти один до одного.

Характерні властивості

  • Довгий радіус дії — впливає на величезні відстані (планети, зірки, галактики).
  • Найслабша сила серед фундаментальних.
  • Завжди притягує (немає відштовхування).

Закон

Newton: F = G * (m₁ * m₂) / r²

де:

  • F — сила гравітації
  • G — гравітаційна стала (6,674×10⁻¹¹ Н·м²/кг²)
  • m₁, m₂ — маси тіл
  • r — відстань між центрами мас

2. Електромагнітна взаємодія

Суть

  • Виникає між зарядженими частинками.
  • Відповідає за електричні та магнітні явища.

Характерні властивості

  • Довгий радіус дії
  • Може притягувати та відштовхувати
  • В 10²⁰ разів сильніша за гравітаційну

Закон

Coulomb: F = k * (q₁ * q₂) / r²

де:

  • q₁, q₂ — заряди
  • k — електрична стала (≈8,988×10⁹ Н·м²/Кл²)

Приклади явищ

  • Електрика та магнетизм
  • Хімічні зв’язки
  • Світло та електромагнітне випромінювання

3. Сильна (ядерна) взаємодія

Суть

  • Тримає протони та нейтрони разом у ядрі.
  • Найсильніша з усіх взаємодій на атомному рівні.

Характерні властивості

  • Дуже короткий радіус дії (~10⁻¹⁵ м)
  • Відповідає за стабільність атомного ядра
  • В 10²⁰ разів сильніша за гравітаційну

Приклади

  • Зв’язування нуклонів у ядрі
  • Взаємодія кварків у протонах та нейтронах

4. Слабка взаємодія

Суть

  • Відповідає за радіоактивний розпад та деякі ядерні реакції.
  • Не тримає частинок разом, а змінює їх характер або тип.

Характерні властивості

  • Дуже короткий радіус дії (~10⁻¹⁸ м)
  • Менш сильна за сильну взаємодію
  • Може змінювати тип частинок (нейтрон → протон + електрон + антинейтрино)

Приклади

  • Бета-розпад
  • Взаємодія нейтрино

5. Порівняння фундаментальних взаємодій

Взаємодія Сила Радіус дії Дія на Приклади
Гравітаційна Найслабша ∞ Маси Орбіти планет, рух галактик
Електромагнітна Сильна ∞ Заряди Електрика, магнетизм, хімія
Сильна Дуже сильна 10⁻¹⁵ м Нуклони, кварки Зв’язок у ядрі
Слабка Слабка 10⁻¹⁸ м Кварки, лептони Радіоактивний розпад, нейтрино
  • Чотири взаємодії описують всі фізичні явища — від космічних до атомних.
  • Гравітація — для макросвіту, сильна та слабка — для мікросвіту, електромагнітна — для світу заряджених частинок.
  • Розуміння фундаментальних взаємодій — основа фізики частинок, ядерної фізики та астрофізики.

Основні властивості фундаментальних сил

взаємодія взаємодіючі ферміони Квант поля (калібрувальний бозон) Спін
Сильне Кварки 8 глюонів g 1
електромагнітне Ті, що мають електричний заряд Фотон γ 1
Слабке Кварки, лептони Бозони W±, Z 1
гравітаційне Всі частинки «Гравітон» 2
Взаємодія На які
частинки
діє		 Калібровані бозони Радіус
дії		 Константа
взаємодії		 Характерний
час життя, с		 Характерний
перетин, мб
Сильне Всі кольорові
частинки		 8 глюонів,
спін J = 1,
безмасові.		 1Фм = 1/mπ 1 10-23
Δ → Nπ		 10
πp → πp
Електро
магнітне		 Всі  електрично
заряджені
частинки		 Фотон,
спін J = 1,
безмасовий.		 ∞ (1/137)1/2 10-20 -10-16
π0 → 2γ
Σ0 → Λγ		 10-3
γp → pπ0
Слабке Кварки, лептони,
електрослабкої
калібрувальні
бозони		 W+,W−, Z,
спін J = 1,
m(W±) = 80Гев,
m(Z) =91Гев.		 10-2Фм = 1/mW 10-6 >10-12
Σ− → nπ−
π− → μ−μ		 10-14
νp → νp
νp → μ−pπ+
Гравітаційне Всі масивні
частинки		 Гравітон,
спвн J = 2,
безмасовий		 ∞ 10-38 – –

Фундаментальними частинками Стандартної Моделі є лептони, кварки і калібрувальні бозони. Кварки і лептони, частинки з напівцілим спіном, утворюють речовину. Всього відомо шість лептонів, які формують три покоління:

  Лептон Mаса mc2, МэВ Час життя, с Електричний заряд
1 Електронне нейтрино νe < 2·10–6   0
Електрон e– 0.511 ∞ -e
2 Мюонне нейтрино νμ < 0.19   0
Мюон μ– 105.66 2.2·10–6 -e
3 Тау-нейтрино ντ < 18.2   0
Тау-лептон τ– 1777 2.9·10–13 -e

Шість кварків також згруповані в три покоління:

  Кварк   Mаса mc2, МэВ Електричний заряд
1 Верхній (up) u 2.3 +2/3e
Нижній (down) d 4.8 -1/3e
2 Зачарований (charmed) c 1.3·103 +2/3e
Дивний (strange) s 95 -1/3e
3 Топ-кварк (top) t 173·103 +2/3e
Ботом-кварк (bottom) b 4.7·103 -1/3e

Дещо інше: